Når fysikere kigger ind i spejlkerner, ser de uventede parringer

Atomkernen er et travlt sted. Dens bestanddele af protoner og neutroner støder lejlighedsvis sammen og flyver kortvarigt fra hinanden med høj momentum, før de klikker sammen igen som de to ender af et strakt gummibånd. Ved hjælp af en ny teknik fandt fysikere, der studerede disse energiske kollisioner i lette kerner, noget overraskende:protoner kolliderer med deres medprotoner og neutroner med deres medneutroner oftere end forventet.

Opdagelsen blev gjort af et internationalt hold af forskere, der inkluderer forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ved hjælp af Continuous Electron Beam Accelerator Facility på DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia. Det blev rapporteret i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature .

At forstå disse kollisioner er vigtigt for at fortolke data i en lang række fysikeksperimenter, der studerer elementarpartikler. Det vil også hjælpe fysikere med bedre at forstå strukturen af ​​neutronstjerner - kollapsede kerner af kæmpestjerner, der er blandt de tætteste former for stof i universet.

John Arrington, en Berkeley Lab videnskabsmand, er en af ​​fire talsmænd for samarbejdet, og Shujie Li, hovedforfatteren på papiret, er en Berkeley Lab postdoc. Begge er i Berkeley Labs Nuclear Science Division.

Protoner og neutroner, de partikler, der udgør atomkerner, kaldes tilsammen nukleoner. I tidligere eksperimenter har fysikere studeret energiske to-nukleon-kollisioner i en håndfuld kerner, der spænder fra kulstof (med 12 nukleoner) til bly (med 208). Resultaterne var konsistente:proton-neutron-kollisioner udgjorde næsten 95 % af alle kollisioner, hvor proton-proton- og neutron-neutron-kollisioner stod for de resterende 5 %.

Det nye eksperiment på Jefferson Lab undersøgte kollisioner i to "spejlkerner" med tre nukleoner hver og fandt ud af, at proton-proton- og neutron-neutron-kollisioner var ansvarlige for en meget større andel af det samlede antal - omkring 20%. "Vi ønskede at lave en markant mere præcis måling, men vi havde ikke forventet, at det ville være dramatisk anderledes," sagde Arrington.

Brug af én kollision til at studere en anden

Atomkerner er ofte afbildet som tætte klynger af protoner og neutroner klistret sammen, men disse nukleoner kredser faktisk konstant om hinanden. "Det er ligesom solsystemet, men meget mere overfyldt," sagde Arrington. I de fleste kerner tilbringer nukleoner omkring 20 % af deres liv i exciterede tilstande med højt momentum som følge af to-nukleonkollisioner.

For at studere disse kollisioner zapper fysikere kerner med stråler af højenergielektroner. Ved at måle energien og rekylvinklen for en spredt elektron kan de udlede, hvor hurtigt nukleonen, den ramte, må have bevæget sig. "Det er ligesom forskellen mellem at hoppe en ping-pongbold fra en forrude i bevægelse eller en stationær forrude," sagde Arrington. Dette sætter dem i stand til at udvælge begivenheder, hvor en elektron spredte sig fra en proton med højt momentum, som for nylig kolliderede med en anden nukleon.

I disse elektron-proton-kollisioner pakker den indkommende elektron nok energi til at slå den allerede exciterede proton helt ud af kernen. Dette bryder den gummibåndlignende interaktion, der normalt tøjler det exciterede nukleonpar, så den anden nukleon undslipper også kernen.

I tidligere undersøgelser af to-kropskollisioner fokuserede fysikere på spredningsbegivenheder, hvor de detekterede den rebounding elektron sammen med begge udstødte nukleoner. Ved at mærke alle partiklerne kunne de opgøre det relative antal proton-proton-par og proton-neutron-par. Men sådanne "triple coincidence"-hændelser er relativt sjældne, og analysen krævede omhyggelig redegørelse for yderligere interaktioner mellem nukleoner, der kunne forvrænge tællingen.

Spejlkerner øger præcisionen

Forfatterne til det nye arbejde fandt en måde at fastslå det relative antal proton-proton- og proton-neutron-par uden at detektere de udstødte nukleoner. Tricket var at måle spredning fra to "spejlkerner" med det samme antal nukleoner:tritium, en sjælden isotop af brint med en enkelt proton og to neutroner, og helium-3, som har to protoner og en enkelt neutron. Helium-3 ligner tritium med protoner og neutroner ombyttet, og denne symmetri gjorde det muligt for fysikere at skelne kollisioner, der involverer protoner, fra dem, der involverer neutroner, ved at sammenligne deres to datasæt.

Spejlkerneindsatsen startede, efter at Jefferson Lab-fysikere havde planer om at udvikle en tritiumgascelle til elektronspredningsforsøg - den første brug af denne sjældne og temperamentsfulde isotop i årtier. Arrington og hans samarbejdspartnere så en enestående mulighed for at studere to-kropskollisioner inde i kernen på en ny måde.

Det nye eksperiment var i stand til at indsamle meget flere data end tidligere eksperimenter, fordi analysen ikke krævede sjældne triple coincidence hændelser. Dette gjorde det muligt for holdet at forbedre præcisionen af ​​tidligere målinger med en faktor ti. De havde ikke grund til at forvente, at to-nukleon-kollisioner ville fungere anderledes i tritium og helium-3 end i tungere kerner, så resultaterne kom som noget af en overraskelse.

Stærke kraftmysterier forbliver

Den stærke kernekraft er velkendt på det mest fundamentale niveau, hvor den styrer subatomære partikler kaldet kvarker og gluoner. Men på trods af disse faste fundamenter er vekselvirkningerne mellem sammensatte partikler som nukleoner meget vanskelige at beregne. Disse detaljer er vigtige for at analysere data i højenergieksperimenter, der studerer kvarker, gluoner og andre elementære partikler som neutrinoer. De er også relevante for, hvordan nukleoner interagerer under de ekstreme forhold, der hersker i neutronstjerner.

Arrington har et bud på, hvad der kan foregå. Den dominerende spredningsproces inde i kerner sker kun for proton-neutron-par. Men vigtigheden af ​​denne proces i forhold til andre typer spredning, der ikke adskiller protoner fra neutroner, kan afhænge af den gennemsnitlige adskillelse mellem nukleoner, som har tendens til at være større i lette kerner som helium-3 end i tungere kerner.

Flere målinger med andre lette kerner vil være nødvendige for at teste denne hypotese. "Det er klart, at helium-3 er forskellig fra den håndfuld tunge kerner, der blev målt," sagde Arrington. "Nu vil vi presse på for mere præcise målinger på andre lette kerner for at give et endeligt svar." + Udforsk yderligere

Nye dybe uelastiske spredningsforsøg måler to spejlkerner